韩天宇，王智民，杨光辉，阴 添

（东方电气集团东方电机有限公司，四川 德阳618000）

0 引言

白鹤滩水电站位于四川省宁南县和云南省巧家县境内，是金沙江下游干流河段梯级开发的第二个梯级电站，其左右两岸分别安装8台单机容量100万kW水轮发电机组，总装机容量1 600万kW，是在建装机容量世界第二，单机容量世界第一的水电项目，是世界水电史上首次采用单机100万kW机组的水电项目，是世界水电行业的“珠穆朗玛峰”。为了做好白鹤滩水电站这个世纪工程，三峡集团提出了“三个一流”“七个零”目标，贯彻精品理念，制定了白鹤滩机组精品质量标准，将左岸8台100万kW水轮发电机组研制任务托付给东方电气集团东方电机有限公司（以下简称：东方机电）。东方电机高度重视，精心研发、精心组织、精益制造，确保全面满足三峡集团提出的精品机组要求，引领世界水电装备进入“无人区”，实现能源装备制造的中国梦。

转轮是水轮机的心脏，其制造质量直接影响到整个水轮发电机组的安全、稳定与工作效率。东方电机承制的白鹤滩左岸水轮机转轮为焊接结构，其结构尺寸大，焊接量大，装焊难度大，对转轮焊接质量控制及尺寸变形控制带来很大风险。本文分析了由东方电机承制的白鹤滩水轮机转轮焊接过程质量风险点，并详细介绍了如何在焊接生产制造过程中对白鹤滩水轮机转轮进行有效的质量控制与检验，保证转轮焊接质量满足三峡精品标准。

1 转轮结构介绍

白鹤滩转轮为大型全马氏体不锈钢铸焊结构混流式整体转轮（图1），外形结构尺寸巨大，设计总高约3.95 m，最大直径8.65 m，总重量约360 t。转轮由上冠（大小两瓣）、下环（对称两瓣）和15件叶片组焊而成，材质均为ZG04Cr13Ni4Mo马氏体不锈钢，叶片与上冠、下环为曲面相贯焊接，主要焊缝有上冠拼焊缝、下环拼焊缝、叶片与上冠焊缝、叶片与下环焊缝及其他工艺辅助焊缝（翻身吊攀、拉筋、搭板等），其焊缝设计总长约146 m，设计焊丝用量超12 t。

图1 转轮结构示意图

2 三峡精品指标介绍

白鹤滩水轮发电机组是世界上首批百万千瓦水轮机组，中国长江三峡集团站在国家战略高度，为提高中国重型装备制造水平，为加强白鹤滩水电站机电工程设备制造质量管理，提高白鹤滩水轮发电机组制造水平，把白鹤滩水电站机电工程打造成“精品工程”，对白鹤滩水电站项目提出了精品机组要求。三峡集团在“七个零”目标中提出了“制造零缺陷”，要求制造过程严格受控，出厂质量确保零缺陷，不将缺陷带到现场。且三峡机电工程局于2017年10月17日，制定并下发了《金沙江乌东德、白鹤滩水电站水轮机制造精品检测标准》（简称：《精品检测标准》）。

3 转轮装焊质量风险点分析

3.1 材料风险

白鹤滩转轮的上冠、下环及叶片母材材质设计均采用低碳高强度马氏体不锈钢铸件ZG04Cr13Ni4Mo，参考 Q/CTG 1-2017《大型混流式水轮机转轮马氏体不锈钢铸件技术条件》，铸钢ZG04Cr13Ni4Mo的化学成分（见表1）与力学性能（见表2）所示。

铸钢ZG04Cr13Ni4Mo具有良好的综合机械性能、耐腐蚀性能及疲劳性能，但其含碳量低，碳当量较高，因此该钢淬硬倾向较大，冷裂纹敏感性较大，焊接易产生脆化组织和氢致裂纹，可焊性较差。

综上，该材料的特性给白鹤滩转轮的焊接质量带来了一定的风险。

表1 ZG04Cr13Ni4Mo化学成分（质量百分比/%）

表2 ZG04Cr13Ni4Mo力学性能

3.2 结构风险

白鹤滩转轮结构尺寸大，其最大设计直径达Φ8 650 mm，为实现运输条件，转轮上冠及下环均采用分瓣式结构。分瓣式结构相对于整体式上冠、下环结构，使转轮在整体焊接前又增加了上冠、下环拼装组焊的工序，且上冠、下环又是转轮叶片的装配基准。所以转轮上冠、下环拼焊的焊接变形控制影响着转轮整体尺寸的质量。

白鹤滩转轮叶片设计坡口长度及深度均在巨型混流式转轮的设计中名列前茅，焊接量极大。转轮单片叶片就有200 mm以上的厚度差，叶片坡口尺寸也随叶片进水边至出水边厚度由宽至窄变化，且叶片为不规则曲面形状，与上冠、下环的焊缝均为曲面相贯结构，同时叶片曲面的变化造成焊接空间位置变化不一，近出水边叶片间距狭窄，焊接操作难度极大，给焊接质量控制及尺寸变形控制带来了很大风险。

白鹤滩转轮的焊缝设计总长约146 m，设计焊丝用量超12 t，大量的焊接热输入，使得转轮焊接时产生大量的焊接应力，不仅加大了焊接裂纹出现的风险，也给焊接尺寸的变形控制带来极大风险。

3.3 指标风险

白鹤滩转轮由于设计尺寸大、焊量大，焊接尺寸变形的控制难度极大，而转轮的流道尺寸直接影响机组的水力性能及运行的稳定性、安全性，转轮的设计尺寸公差指标十分严格，如何控制焊接尺寸以满足设计尺寸公差指标要求本就是一个难度极大的问题。而三峡集团制定的《精品检测标准》又给转轮的制造尺寸公差提出了更高的精品要求。

表3 转轮焊接尺寸精品标准公差表

在《精品检测标准》“（五）水轮机转轮制造质量尺寸检测标准表”中，三峡集团对转轮焊接尺寸相关检测项目的优良值做出了明确的公差指标要求，优良值的允差要求相比GB/T 10969-2008《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机通流部件技术条件》的允差值要更加严格（表3），在叶片进口节距、出水边开口单个值及平均值、进口角单个值等转轮主要流道尺寸项目的允差上均比国标要求提高了25%，加大了转轮的焊接质量控制难度。为了满足用户所需，需要对转轮焊接制造进行更加细致完善的质量策划及更加严格精准的质量控制，以确保转轮最终焊接尺寸满足精品指标要求，避免尺寸超出精品指标的风险。

3.4 工期风险

作为以百万精品机组向建党100周年献礼的大国重器工程，三峡集团对于白鹤滩项目的工期要求十分严格。为确保转轮的制造周期，避免因大量焊缝缺陷返修而造成的工期影响，东方电机下达了严格的转轮焊缝一次探伤合格率内控精品指标，这给焊接难度极大的白鹤滩转轮带来了更加严峻的质量控制考验。也因此需要更加周全严谨的做好质量策划工作，更加细致严格的做好焊接过程控制工作，以避免因质量问题造成的工期风险。

4 转轮焊接质量控制

4.1 焊接质检策划

为全面、准确的实施转轮焊接质量的控制与检验工作，在质检策划阶段，编制了白鹤滩转轮制造质量检验控制方案、转轮焊接加工ITP、转轮焊接检验规范及转轮验收大纲。明确了项目团队的组织机构与管理职责，制定了详细的质量控制方案以及检查试验计划，规范了转轮在焊接制造过程中各工序的检验项目、检验依据、记录形式、测量工具、检测要点以及判定标准，策划了转轮预验收及验收的检验项目及检验方法，规定了质检策划的具体实施要求。

4.2 焊接条件控制

由于焊接是特殊作业过程，所以在转轮开始投焊前，应对原材料及焊接条件进行必要的审查，以确保转轮焊接工作的顺利进行及焊接质量受控。

原材料的控制：确保原材料质量符合设计及工艺要求，是避免因材料问题引起的焊接质量问题的风险防控有效措施。在转轮开焊前，应审核上冠、下环、叶片的相关质量信息，须符合设计要求，且与其标识信息一致。并审核焊接材料的质量信息，应符合工艺规范要求并在有效期内。

焊接条件的控制：应对焊工资质、焊机仪器仪表的检定合格凭证等焊接开工的必要条件进行审查，以确保焊接过程受控及防范焊接设备原因造成的焊接质量风险。

4.3 焊接质量控制

转轮的材料为冷裂倾向较大的马氏体不锈钢，焊接易产生脆化组织和氢致裂纹，且转轮的结构给转轮的焊接带来极大难度，为保证转轮的焊接质量，提高一次探伤合格率，减少返修焊接带来的质量及进度风险，我们对焊接操作者进行了质量技术交底，并对焊接过程进行严格的控制。

温度的控制：由于材料的特性，转轮焊接的预热温度、层间温度及保温温度的控制在焊接过程中尤其重要。在每班次开焊前，用测温仪测量坡口及其热影响区的温度，达到工艺要求的预热温度后才能开始施焊。在焊接过程中，巡查监控层间温度，以符合工艺要求。并在焊接工作间歇时段巡查监控转轮保温温度，在转轮未进行整体消氢前，确保保温温度不能低于工艺规范要求。

焊接参数的控制：焊接电流、焊接电压、保护气体流量、焊接速度及焊道宽度等焊接过程工艺参数的有效执行与焊缝质量息息相关。在转轮的焊接过程中，应严格巡查监控焊接过程工艺参数，防止违反工艺规范的行为，督促操作者认真执行工艺纪律，以保障缝的焊接质量。

焊道清理的控制：焊道清理不干净彻底，极易在焊后产生夹渣、气孔等焊接缺陷，增加返修工作量。在转轮的焊接过程中，由于转轮的施焊作业空间狭窄，温度极高，操作者在长期恶劣条件下重复作业，难免会对焊道清理等非主要施焊工作大意忽略。需要在转轮焊接过程中加强巡检工作，监督操作者对于焊道清理工作的有效执行，以避免因此产生的焊缝质量问题。

4.4 焊接尺寸控制

白鹤滩转轮的焊接尺寸控制因其结构尺寸大、设计重量大、焊接量大且精品指标严格的特点成为一个艰难的课题。而转轮叶片型线复杂，焊接完成后极难对尺寸进行调整、返修，所以我们以前期的装配检验及焊接过程监控为主，来保证转轮尺寸一次装焊满足精品指标要求。

上冠拼焊的控制：由于转轮采用的是倒装工艺，所以上冠是转轮装配的水平基准，上冠拼焊后的水平度对控制转轮整体焊接尺寸显得尤为重要。在上冠大瓣与小瓣组圆装配时应检查大瓣的平度，控制其平度≤1 mm。小瓣与大瓣之间应留有一定的间隙与反变形抬高量，以确保焊接收缩余量满足焊后整体尺寸要求。在焊接过程中应定期对平度及小瓣的变形量进行监控检查，根据收缩变形情况及时调整焊接顺序。在拼焊完成后，应对上冠平度、外圆进行检查，确保其尺寸符合设计要求。

上冠、下环装配的控制：上冠、下环是转轮叶片装配定位的基准，其装配尺寸对转轮整体尺寸有着重要影响。应检查控制上冠、下环的水平度、平行度、同轴度及开档高度，使上冠、下环的装配满足工艺要求。并检查上冠、下环的叶片定位点划线，确保划线基准点位置及空间距离满足设计要求。

叶片的装配控制：转轮叶片的装配尺寸是转轮流道水力性能的重要考核指标，且在焊接完成后调整极其困难，所以在叶片装配时就要保证叶片尺寸符合要求。为控制其装配尺寸，在装配过程中须进行三次尺寸检验，分别设置在前三片叶片装配后，所有叶片装配完成后，以及叶片定位焊后。前三片叶片装配后进行尺寸检验可以对上冠、下环的基准点划线位置、叶片装配方法、叶片加工型线尺寸进行复查验证，以确保其余叶片的顺利装配。所有叶片装配完成后的尺寸检验，可以在叶片定位焊前确保叶片装配尺寸准确无误，避免定位焊后进行大量调整工作。叶片定位焊会使转轮尺寸产生一定的变形量，在定位焊后进行全面的尺寸检验以保证转轮定位焊的变形受控，且在正式焊接前所有尺寸满足工艺及设计要求。

焊接顺序及过程尺寸监控：转轮叶片为不规则曲面形状，其焊接过程中受应力复杂，焊接变形趋势较难预判，所以应在焊接过程中对焊工的施焊顺序是否满足工艺规定的分段、交替、退步焊要求进行巡查监控，以减少焊接变形对转轮尺寸的影响。并定期对转轮的开档高度、同轴度及开口等主要尺寸进行监控，及时反馈焊接变形量，以便及时根据焊接变形量对焊接顺序及支撑布置等工艺措施进行适当调整，来保证转轮最终尺寸。

5 质量控制成果

截止到2020年5月，由东方电机承制的白鹤滩左岸电站的前4台转轮已经完成焊接制造，经过严格细致的焊接质量控制，4台转轮的焊接质量非常出色，焊缝一次探伤合格率均达到内控精品指标，各设计尺寸均达到设计公差指标要求，并满足三峡集团的精品指标要求，均已顺利通过了三峡业主的验收，达到精品（图2）。

图2 2019年1月12日白鹤滩首台转轮通过三峡业主精品验收

6 结论

虽然在白鹤滩转轮的焊接质量控制上遇到了诸多困难与挑战，但在质量团队的攻坚克难中一一化解，最终交付精品，为白鹤滩百万千瓦水轮机组交付了一颗性能先进、安全稳定的心脏。白鹤滩水电站百万千瓦巨型水轮机精品转轮的焊接制造标志着我国发电设备企业率先掌握了百万千瓦等级巨型水轮机组转轮的核心制造技术，开创了世界水电百万千瓦级水轮发电机组的新纪元，其焊接质量控制的成功经验，对今后的混流式水轮机组转轮的焊接制造具有一定的借鉴和指导意义。